教学单元能量篇能的转换-教育大集.doc

教學單元（7）─能量篇（能的轉換） 7-1玻璃珠溫差引擎〈溫差發電原理〉 教學對象： 三至九年級 材料： 試管、玻璃彈珠、酒精燈、玻璃注射筒、固定架、其它小五金配件（組合方式詳閱下頁：原理說明） 操作過程： 點燃酒精燈，燃燒試管底部。 此時空氣逐漸膨脹，便可推動玻璃注射筒，造成注射筒的「活塞」運動。 玻璃彈珠在此處扮演引擎「飛輪」的角色，可以儲存動能，協助「活塞」能自動持續運動下去。 原理講解： 溫差引擎（詳下頁：原理說明，共9頁） 實作方式： 請同學實作本實驗，體驗「自製引擎」的過程與細節，設法完成自己（或各組）的引擎。並可比賽一下：看誰的引擎運轉較久？ 教學評量： 請參閱──「兩段式」及「題組」評量 依學生情況設計評量題目。 視時間狀況，以口試、筆試或實作等，進行評量。 原理說明（師生參考資料） 一、前言 能源短缺、汽油價格高漲已是必然趨勢，但夏威夷卻能利用抽取深層海水發電，大量的低溫深層海水，和海面水有近20℃的溫差，利用「溫差結合熱交換機」就能發電，因此可能生產龐大且便宜的電能，並可由便宜的電能將水轉換成氫能，希望取代石化能源，減少二氧化碳的產生，以減緩地球的「溫室效應」。 日本至2003年止，已在九州、四國建設「海水溫差發電實驗場」數處，其中，尤以1990年在鹿兒島建立的兆瓦級「海水溫差發電廠」，規模最為龐大。日本對替代能源的研究，如此用心，值得我們學習。 台灣是一個能源十分缺乏的地區，石油與燃煤大多仰賴進口，其中，全球石油儲藏量，也僅夠人類再用數十年，台積電張忠謀董事長更預測：「每桶油價超過百元美金的時代很快就到了！」，屆時，95無鉛汽油每公升將高達台幣40元左右。因此我們也在極力開發替代性能源，如：生質能源（以玉米、甘蔗...等四碳型植物為主）、核能、風力發電、潮汐發電、海水溫差發電等。核能因有「廢料」處理難題，加以環保人士反對，政府將暫不考慮增建「核五」。風力發電則因受限於風力強弱，所以電力恐有青黃不接之虞。相對而言，「溫差發電」便形成一個十分值得研究的課題。 早在民國67年行政院國科會第一次全國科技會議，其中第4206號提案，內容指出：「台灣東部沿海為黑潮暖流所經，全年平均表面水溫高達攝氏二十五度以上，但自海面以下，水溫逐漸降低，至七百公尺深，水溫約僅攝氏五度。因此全年上下層之水溫差在攝氏二十度以上，適合從事溫差發電之必要條件，應加以研究發展。」 日本學者土田三郎曾經在NHK製作的科學教育節目裡，介紹了溫差發電的基本原理，並展示一個十分有趣的「簡易溫差引擎」，是用玻璃試管做的，內有玻璃珠，能因溫差而「自動」來回「作工」，十分神奇！但由於當時並未將節目錄下，所以只能憑殘留的印象，用各種方法試試，看看能不能也做出一個能自動運轉的「溫差引擎」。（註：近年NHK已發行趣味科學實驗集，內含上述節目，台東大學圖書館已有館藏。） 經3、4個月不斷研究與試驗，終於做出一套「很難看」的「溫差引擎」，雖然「難看」，但它一經起動，就會「有板有眼」地運轉起來，有時，要讓它停下來，還很不容易，必須把酒精燈（熱源）關閉，熱源關閉後，它都還會繼續運轉2至3分鐘，才肯停止呢！ 經過這次的研究與試驗，我們終於對「簡易溫差引擎」的各項構造與變因，有進一步的了解，茲分述如下： 二、實驗摘要 （一）試管內的玻璃珠總長度，以不超過試管的二分之一為佳，太多或太少，皆會影響其性能。 （二）試管(即溫差管)的長度，以20公分以上為佳，是否越長越好，則有待再實驗。 （三）當玻璃珠的大圓直徑是1.5公分時(即普通市售玻璃珠)，試管內徑以2.0為最佳。 （四）啟動前，活塞位置在玻璃注射筒的0c.c至2c.c之間，可得到較佳的性能。換言之，引擎啟動前，活塞上方不宜有太多空氣。 （五）活塞與汽缸，宜使用「玻璃注射筒」（5cc者較為適用），若使用「塑膠注射筒」，由於其「摩擦系數」較大，恐有不易起動之虞。 （六）啟動前，玻璃珠必須全部在低溫側，始可啟動。 （七）在低溫側澆灑冷水，無助於啟動。 （八）若起動有困難，可將各部位管線，全部拆除洩壓，再重新組合，大部分情況均可起動。 （九）下列因素，均可能造成「溫差引擎」之啟動困難或運轉不順。 （1）熱源不均，時有時無。 （2）啟動前，活塞上方空氣太多。 （3）試管內玻璃珠太多或太少。 （4）加溫速度太快。 （5）溫度過高。 （十）依據實作經驗，活塞鎖死（即縮缸），主要原因有二： （1）加溫速度太快或溫度太高。 （2）起動前，注射筒（汽缸）內的空氣超過二分之一。 （十一）玻璃珠簡易溫差引擎構造圖如下： 玻璃珠簡易溫差引擎構造圖 三、討論 （一）經長期實驗心得，我們發現玻璃珠在「溫差引擎」裡，扮演許多功能，包括： （1）促進空氣流動，即冷熱空氣的對流。 （2）協助吸收及儲藏熱能。 （3）造